一種新型電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)分析

張 斌,武沛勇,韓鳳廷

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展,電子設(shè)備集成度進(jìn)一步提高,集成化器件的功能日趨復(fù)雜,功率不斷加大,再加上特殊領(lǐng)域電子裝備小型化和機(jī)動(dòng)性的需要,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)朝著小型組裝方向發(fā)展,單位面積的功率不斷增大,電子元器件散發(fā)的熱量相應(yīng)增加,熱流密度也成倍的增加。實(shí)踐表明,電子設(shè)備可靠性下降、使用壽命降低,往往是因?yàn)殡娮釉骷瑴毓ぷ骰蛘唛L(zhǎng)期高溫工作導(dǎo)致的。因此,對(duì)電子設(shè)備的整機(jī)及電子元件的局部散熱設(shè)計(jì)就尤為重要。

1 總體設(shè)計(jì)

在開(kāi)發(fā)新型電子設(shè)備時(shí)應(yīng)充分分析其使用需求,根據(jù)設(shè)備基本功能、使用的地理環(huán)境、氣象條件、機(jī)械環(huán)境以及操作對(duì)象等因素形成總體設(shè)計(jì)方案。

設(shè)備由箱體、前面板、風(fēng)扇抽屜、后面板、背板以及插件板組件等部分組成,如圖1所示。設(shè)備高度為354.8 mm,深度為360 mm,寬度為446 mm。設(shè)備內(nèi)部裝有10塊插件板組件,以及與之實(shí)現(xiàn)電連接的背板。

圖1 整機(jī)布局圖

設(shè)備箱體由上下左右4塊鋁材壁板螺釘裝配而成。前面板為鋁材銑制加工而成,通過(guò)螺釘與箱體鏈接。風(fēng)扇抽屜由幾個(gè)軸流風(fēng)機(jī)構(gòu)成,安裝于機(jī)箱底部,使機(jī)箱內(nèi)部產(chǎn)生空氣對(duì)流。后面板由厚鋁板銑制而成,與箱體后部通過(guò)螺釘連接,其上半部分有通風(fēng)孔,內(nèi)部安裝有軸流風(fēng)機(jī),下半部分安裝有對(duì)外連接的接插件。插件板組件由承載電子器件的印制板和金屬框架構(gòu)成,采用豎插方式安裝,通過(guò)上下導(dǎo)軌槽插入機(jī)箱內(nèi),其在插入方向上前端的連接器插座與背板上相應(yīng)插頭實(shí)現(xiàn)電連接。

2 需要解決的問(wèn)題

根據(jù)用戶(hù)需求,該設(shè)備的工作環(huán)境溫度為：-10～45℃。從現(xiàn)有元器件的條件來(lái)看,-10℃使用條件都可以滿(mǎn)足使用需求。從圖1可以看出,機(jī)箱內(nèi)部布局緊湊,10塊插件板組件的發(fā)熱功率均為30 W左右,整機(jī)發(fā)熱功率可達(dá)300 W,形成了高熱流密度區(qū)。因此,研究的重點(diǎn)應(yīng)該是解決大功率小型化帶來(lái)的高熱流密度問(wèn)題,換言之,研究的關(guān)鍵在于整機(jī)的散熱設(shè)計(jì)。結(jié)合經(jīng)濟(jì)因素,一般元器件采用的工作最高溫度為85℃,但是長(zhǎng)期工作在高溫狀態(tài)下會(huì)使壽命縮短,因此熱設(shè)計(jì)的目標(biāo)是保證電子元件表面溫度不大于85℃的情況下,通過(guò)合理設(shè)計(jì)使電子元件的穩(wěn)定工作溫度在較低的范圍內(nèi)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 散熱措施

為解決散熱問(wèn)題,從冷卻方式、封裝內(nèi)的電子元件的布局、氣流的通道、風(fēng)扇的選型、散熱器的設(shè)計(jì)以及電子元件接觸熱阻的控制等方面入手,對(duì)該設(shè)備采取了包括以下幾點(diǎn)主要散熱措施：

①設(shè)備采用強(qiáng)迫對(duì)流加傳導(dǎo)的冷卻方式,加裝風(fēng)機(jī),使機(jī)箱內(nèi)外空氣形成熱交換;

②機(jī)箱外殼采用熱傳導(dǎo)能力較好的鋁材制造;

③將印制板安裝在導(dǎo)熱較好的金屬框架上,形成插件板組件。如圖2所示,熱量通過(guò)金屬框架、金屬導(dǎo)軌傳導(dǎo)至機(jī)箱外殼,金屬框架上的散熱翅片把電子器件上的熱量散發(fā)到機(jī)箱內(nèi)空氣中,再通過(guò)風(fēng)扇排出機(jī)箱。

圖2 插件板組件

3.2 選擇風(fēng)機(jī)

假設(shè)機(jī)箱內(nèi)的熱量沒(méi)通過(guò)箱體傳導(dǎo)出去,那么所選用的風(fēng)機(jī)應(yīng)將設(shè)備的熱量全部帶走,根據(jù)熱平衡方程：

式中：L為冷卻空氣流量(m3/s);Q為設(shè)備發(fā)熱量(kW);ρ為空氣密度(kg/m3);Cp為空氣的比熱(kJ/(kg?℃));Δt為冷卻空氣入口和出口的溫升(℃)。

該設(shè)備的總發(fā)熱量為Q=0.3 kW,空氣的密度ρ取 1.093 kg/m3,空氣的比熱 Cp取 1.005 kJ/(kg?℃),冷卻空氣入口和出口的溫升Δt取40℃,將上述參數(shù)值代入式(1)中：

由于機(jī)箱體積較大,并且考慮到熱量應(yīng)均勻排出,因此采用2個(gè)風(fēng)機(jī)并聯(lián)的方式,初步采用型號(hào)為AD0912HS-A70GL的軸流風(fēng)機(jī),其特性曲線(xiàn)如圖3所示。由于受到電磁屏蔽設(shè)計(jì)等其他設(shè)計(jì)因素的影響,風(fēng)機(jī)會(huì)受到較大的風(fēng)阻,因此不可能在最高風(fēng)速點(diǎn)工作,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和風(fēng)機(jī)特性,風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量一般選擇圖3中部偏下的位置。

圖3 風(fēng)機(jī)特征曲線(xiàn)圖

3.3 氣流通道

合理的氣流通道也是整機(jī)熱設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。氣流通道設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 氣流通道

如圖4所示,冷空氣從前面板下方被吸入機(jī)箱內(nèi),經(jīng)過(guò)風(fēng)扇抽屜向上方流過(guò)垂直排列插件板組件區(qū)域,帶走該區(qū)域的印制板和電子器件散發(fā)的熱量,變成了熱空氣,到達(dá)機(jī)箱頂部的熱空氣被吸入機(jī)箱后部負(fù)壓區(qū),最后,由后面板上的風(fēng)機(jī)排到機(jī)箱外。風(fēng)道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于整個(gè)風(fēng)道應(yīng)形成封閉區(qū)域,圖4所示的擋風(fēng)板就是形成密封風(fēng)道關(guān)鍵件。

4 仿真及測(cè)試

ICEPAK作為專(zhuān)業(yè)的熱分析軟件,對(duì)電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是必不可少的工具。它具有建立模型簡(jiǎn)單、精確模擬、豐富的材料和模型庫(kù)、可計(jì)算復(fù)雜問(wèn)題以及參數(shù)化設(shè)計(jì)等特點(diǎn)。利用它可比較真實(shí)地模擬系統(tǒng)的溫度、風(fēng)速和矢量等狀態(tài),通過(guò)預(yù)測(cè)各元器件的工作溫度,糾正不合理的布局,從而縮短設(shè)計(jì)的研制周期,降低成本,提高電子設(shè)備的可靠性。

4.1 仿真分析

首先,在ICEPAK中建立數(shù)學(xué)模型,包括機(jī)箱、10塊插件板組件、背板、通風(fēng)口和風(fēng)機(jī)等,設(shè)置環(huán)境溫度為45℃,設(shè)置各個(gè)模型的熱學(xué)相關(guān)參數(shù)。其次,對(duì)于建立好的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,重點(diǎn)監(jiān)控部位網(wǎng)格密度加大。最后,設(shè)置迭代次數(shù)為300次,設(shè)置收斂條件為1×10-7,進(jìn)行求解計(jì)算。

仿真結(jié)果為：整機(jī)最高溫度為64.4℃,高溫點(diǎn)出現(xiàn)在靠近機(jī)箱左右側(cè)板的插件板組件上。靠近左側(cè)板的側(cè)插件板組件表面最低溫度為61.6℃、最高溫為64.4℃。2個(gè)風(fēng)機(jī)的流量分別為0.018 10 m3/s和0.017 99 m3/s,總流量約為0.036 m3/s。整機(jī)最高溫度低于85℃,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,方案是可行的。

從數(shù)據(jù)來(lái)看,風(fēng)機(jī)總流量遠(yuǎn)大于式(2)的計(jì)算值,但是機(jī)箱內(nèi)溫度可控制在64℃左右,在這種溫度條件下有利于電子器件的長(zhǎng)期可靠工作,因此風(fēng)機(jī)的選擇是合理的。

4.2 測(cè)試驗(yàn)證

按照以上的方案進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)加工,在整機(jī)調(diào)試完成后進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn),在高溫工作階段,溫箱溫度達(dá)到要求的45℃后保持4 h,通過(guò)測(cè)試儀對(duì)其功能和性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果符合相關(guān)要求。經(jīng)長(zhǎng)期使用,該設(shè)備性能穩(wěn)定,滿(mǎn)足用戶(hù)需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于功率較大或特殊用途的電子設(shè)備,其熱設(shè)計(jì)都比較復(fù)雜,在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要不斷調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局,不斷調(diào)整仿真模型及參數(shù)設(shè)置,通過(guò)多次優(yōu)化后,一般都能達(dá)到理想的效果。事實(shí)證明,該設(shè)備散熱效果好,電子器件工作穩(wěn)定、可靠,可滿(mǎn)足用戶(hù)的使用需求,該設(shè)計(jì)方法是一種有效的、可行的熱設(shè)計(jì)方法。

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